《单片机原理及应用》智慧课堂的实践探索——以“AT89S51单片机的中断系统”讲解为例

尚 任

(吉林化工学院 航空工程学院，吉林 吉林 132022)

《单片机原理及应用》课程是各大高等院校工科相关专业的重要专业基础课，具有理论与实践紧密结合的课程特点[1]。即理论指导实践，理论学习是实践操作的基础，而实践是理论的巩固和必要补充。我院针对航空电气类高职专业学生开设《单片机原理及应用》必修课程，对于《单片机原理及应用》课程智慧课堂的实践探索，为践行“以学为中心”教学理念、实现培养创新型社会主义建设者和接班人具有重要意义。

近十年来，国内各高校已经开展了对线上+线下混合式教学的开发与实践，尤其是在新冠病毒疫情爆发之后，线上+线下智慧课堂相关课题的研究数量呈井喷式上升。开展线上+线下混合式智慧课堂教学已成为国内高校课堂教学的重要教学手段之一。现有的线上教学改革与实践主要从课程开发、师生主体研究、线上平台技术分析等层面入手。对于课程的开发包括提高网络教学资源与课程本身的贴合度[2]、探索线上教学模式[3-5]、增强线上教学内容合理性[6]、改革考核评价方式[7-8]等；对于师生主体的研究包括建立有效监督学生的机制[9]、提高教师综合素质[6]、体现线上教学过程中队学生的个性化指导[7]等；针对线上平台技术层面的问题，充分挖掘线上教学对于单片机相关课程理论与实践教学的优势[10-11]，并提出了多种手段降低网络、技术等硬件原因对教学带来的影响。

已有的大多数单片机相关课程的线上教学研究存在一些问题。第一，部分线上教学研究不够深入，研究水平较低，以解决疫情后初次集中线上教学的问题(如线上平台尚不稳定、教师对线上平台功能了解不够深入等)为主，属于探索类研究；第二，线上教学理念指导不突出，更重视线上课程实践开发，没有体现出理论指导实践的必要性；第三，突出单片机类课程特色的线上教学少，且针对宏观的线上教学课堂建设较多，针对具体章节的线上教学设计较少；第四，线上教学或线上+线下混合式教学的教学评价方式不够全面，存在过于依赖线上平台统计功能的现象，对不同层次学生的评价缺乏针对性。

对此，本文以“AT89S51单片机的中断系统”这一核心章节的讲解为例进行线上+线下混合式智慧课堂的实践与探索，阐述智慧课堂的设计思路，在智慧课堂创新的具体实践中切实发挥单片机课程理论与实践紧密结合的课程特点，充分体现智慧课堂特征高阶性、创新性和挑战度的特征，取得了良好的创新效果与阶段性成果。为单片机类课程线上及线下教学的教学改革拓宽思路，具有较强的创新性和借鉴意义。

一、智慧课堂的设计思路

《单片机原理及应用》课程的智慧课堂实践，在明确教学内容的教学目标、重点与难点的基础上，以课程特点——理论与实践紧密结合——为突破口，采用多样化的教学与评价方法实现知识教学与专业能力培养目标，践行“以学为中心”教学理念；并融入课程思政，落实“立德树人”的根本任务，达成育人目标。对于《单片机原理及应用》智慧课堂的整体设计思路如图1所示。

图1 《单片机原理及应用》智慧课堂的整体设计思路

二、智慧课堂创新的具体实现

(一) 智慧课堂教学内容的选取

“AT89S51单片机的中断系统”是《单片机原理及应用》课程的核心章节，是学生必须要掌握的重要学习内容。中断是AT89S51单片机的重要工作方式，主要用于实时监测与控制，要求单片机能及时地响应中断请求源提出的服务请求，并快速响应与及时处理。采用中断技术可完全消除查询方式的等待，大大提高了单片机工作效率和实时性。学生学好单片机的中断系统，对学习整门课程起到事半功倍的作用；教师针对本章的教学设计与创新，对本课程的教学改革具有指导意义。

(二) 智慧课堂的教学目标与重、难点的挖掘

《单片机原理及应用》课程的教学目标包括知识教学目标、能力培养目标和素质培养目标三方面。对于教学内容“AT89S51单片机的中断系统”来说，知识培养目标是掌握AT89S51单片机中断系统的工作方式，并熟练掌握AT89S51单片机中断源、相关SFR的设置方法与C51编程方法；能力培养目标是学会归纳和分析AT89S51中断系统结构图，并且能够根据功能要求，独立完成AT89S51中断系统的硬件电路设置与C51软件编程设计；素质培养目标是学生能够树立独立思考、辩证分析的科学思维，弘扬追求真理、严谨治学的求实作风与敢为人先的创新精神。

为有效实现以上教学目标，紧紧围绕教学内容，确立了基于AT89S51单片机中断系统结构(如图2)的理论学习重、难点以及基于AT89S51单片机中断系统C51编程的实践学习重、难点。

图2 AT89S51单片机的中断系统结构

(三) 智慧课堂教学方法的选择

根据《单片机原理及应用》理论与实践紧密结合的课程特点，紧紧围绕“AT89S51单片机的中断系统”教学内容，分别挖掘适用于理论与实践的教学方法，以突破理论教学与实践教学的重点难点，提高学生学习积极性与学习专注力，从而达到课程的知识教学目标、能力培养目标和素质培养目标。具体教学方法设计如下。

1.线上+线下混合式教学法

教师上传视频、学习相关应用程序、课件、参考教材等不同形式的线上学习资源，充分发挥超星学习通强大的软件功能与实时统计能力，应用到传统课堂教学与评价体系中，鼓励学生积极参与线上自主学习活动，利用线上+线下混合式教学法进一步提高传统课堂启发式教学的教学效果。

2.行动导向教学法

主要包括任务驱动教学法、案例教学法和模拟教学法。老师列举学习和生活中的实例形象讲授理论知识，并利用单片机仿真软件Proteus和实验箱演示并布置编程作业与实训项目任务，巩固课堂学习效果。

3.翻转课堂

将学生分组，引导学生整合课堂已学知识，思考中断响应的条件与响应过程，以小组为单位在学习通进行讨论，教师根据学生的讨论情况，进行总结与补充。

4.研讨与探究

利用学习通软件，在课程导入环节发起关于“单片机的工作方式有哪些？”主题讨论。在新课讲授环节发起关于“中断响应的条件与响应过程”的分组讨论，并讲解“两级中断嵌套的应用”例题，为课堂小结讨论活动做铺垫。在课程小结环节发起关于“学习或生活中哪些场景体现了中断的工作方式，都是如何体现中断优先级关系的基本规则的？”的讨论，加深学生对知识点的记忆。利用研讨与探究，锻炼学生的发散性思维，提高学生的团结协作能力，充分调动学生的学习积极性。

(四) 智慧课堂的教学过程设计

针对“AT89S51单片机的中断系统”教学内容，智慧课堂分为课前准备、课堂教学和课后评价与总结共三个部分。在课前准备中，教师整理教学素材与教案，并上传相关线上学习资源供学生课前预习。利用学习通查看学生的预习进度，其统计数据作为评价学生学习积极性的数据来源之一。

在课堂教学中，教学过程主要分为组织课堂、课程导入、新课讲授以及课程小结共四个环节。

1.在组织课堂环节，教师利用学习通点名，收集平时成绩数据。

2.在课程导入环节，首先在学习通发起抢答“单片机的组成部分有哪些？”由此引出关于单片机工作方式的思考，即学习通发起讨论并投屏“单片机的工作方式有哪些？”，投屏显示学生作答并生成词云，注重培养学生的发散性思维。最后，教师以“网上购物”为例介绍单片机的三种主要工作方式(查询、中断和DMA)的工作机制(多媒体课件如图3所示)，从而引出本节的学习内容，即单片机的工作方式之一——“AT89S51单片机的中断系统”的学习。“网上购物”形象讲解单片机三种主要工作方式的具体设计如下：

图3 单片机的三种主要工作方式简介

(1)查询方式的工作机制是CPU时刻关注着某一状态，一旦有变化，就做出相应的反应。即网上购物从付款开始后，就站在家门口等待，一直等到快递员把货物送到，此期间什么事情都不做。显然，查询方式的工作效率很低。

(2)中断方式的工作机制是CPU做其他的事，当发生情况时，CPU被拉去处理发生的情况，之后就继续原先的工作。即网上购物从付款开始后，正常做其他事情，快递员会主动给打电话(中断源发出中断信号)，通知取快递，接到电话后暂停当前的工作去领取货物，然后回来接着做之前的工作，在日常生活中，大部分人使用的就是中断方式，AT89S51这个型号的单片机主要也是中断工作方式。

(3)无论是查询和中断，都需要CPU自己完成额外工作，而DMA方式的工作机制是让小伙伴帮你去网上购买商品和收快递，整个过程基本上不需要自己参与，可以完全专注于当前工作，DMA彻底解放了CPU，直接用存储器存取。

3.新课讲授环节是教学过程的核心环节，主要学习“AT89S51单片机的中断系统”的三方面内容，分别是AT89S51单片机中断系统的结构(理论学习)、中断响应机制(理论学习)以及中断的C51编程方法及应用实例(实践学习)，具体设计见图4。

图4 新课讲授环节教学过程设计

(1)在AT89S51单片机中断系统的结构小节学习中，教师介绍单片机中断系统的作用，简要讲授中断处理过程。重点介绍AT89S51单片机中断系统结构图，使学生建立中断系统的初步认识——纵向讲解AT89S51单片机中断系统结构图，包括中断源、相关SFR的设置方法等知识点。在讲解过程中，注重抽象理论知识的具体化，即用生活或课堂中的例子形象讲解中断优先级关系的基本规则，并利用学习通发起随堂测验，夯实课堂学习成果。

(2)在中断响应机制小节学习中，利用学习通将学生分组，翻转课堂，引导学生横向分析AT89S51单片机中断系统结构图，分析单片机响应中断请求的条件，描述单片机响应中断的。充分发挥学生的课堂主体作用，教师起到引导作用，根据学生的讨论情况给予必要的知识补充与梳理。在学生的讨论与自主学习过程中，自然引入课程思政，鼓励学生树立独立思考、辩证分析的科学思维，做到“润物细无声”。

(3)在中断的C51编程方法及应用实例小节学习中，首先讲授单片机中断函数的基本语法，然后以“两级中断嵌套的应用”为例题，分析题目含义，讲授编程方法，并演示Proteus仿真实现。在本小节实践教学中，引入创新思维的思政元素，鼓励学生利用所学知识举一反三，用多种方式实现功能，不断写出更简单更优化的程序，并布置作业要求学生用至少两种方法完成例题的编程设计与调试，以强化实践学习效果。

4.在课程小结环节的学习中，以学生为主导，通过学习通发起讨论：“学习或生活中哪些场景体现了中断的工作方式，都是如何体现中断优先级关系的基本规则的？”，投屏显示学生作答并生成词云，以学生为主导梳理整节课的教学内容，教师查漏补缺，夯实学生的学习效果。

课堂教学后，还要进行课后评价与总结工作。根据课堂学生互动情况，结合学习通线上学情统计情况，以及学生作业完成情况，综合、量化评价学生平时成绩，并在线上和线下搜集教学反馈，进行教学反思，不断优化智慧课堂教学。

(五) 智慧课堂的考核评价方式创新

《单片机原理及应用》课程采用过程性考核，根据课堂学生互动情况，结合学习通线上学情统计情况，以及学生作业完成情况，综合、量化地评价课程效果；并采用不同层次的考核标准，择优推荐学生参加吉林省职业技能大赛、“互联网+”大学生创新创业大赛等，注重培养学生创新思维的水平和创新创业的实践，充分挖掘学生潜能。对于“AT89S51单片机的中断系统”教学内容，根据课堂学生互动情况，结合学习通线上学情统计情况，以及学生作业完成情况，综合、量化评价学生平时成绩。

三、智慧课堂特征的体现

《单片机原理及应用》课程“AT89S51单片机的中断系统”教学内容的智慧课堂建设充分体现了智慧课堂的高阶性、创新性与挑战度。

(一)在教学目标中，明确知识教学目标、能力培养目标和素质培养目标，培养学生解决复杂问题的综合能力和高级思维的同时，发挥课堂育人功能，使智慧课堂具有高阶性；

(二)课堂合理运用信息化的教学手段，开展基于“学习通”的线上+线下混合式教学。由组织课堂、课程导入、新课讲授以及课程小结四个环节展开教学，活用“学习通”的签到、教案、主题讨论、分组任务及投屏等功能，并且为充分体现课程理论与实践紧密结合的特点，新课讲授环节以“AT89S51的中断系统结构图”为核心，包括理论教学和实践演示两部分。理论教学纵向讲解SFR知识点，横向阐明中断响应机制，实践演示C51例程并仿真演示运行效果，充分体现了智慧课堂的创新性；

(三)课程采用过程性考核，并建立不同层次的考核标准，初级考核目标是学生通过各项过程性考核，高级考核目标是择优推荐学生参加吉林省职业技能大赛、“互联网+”大学生创新创业大赛等，使智慧课堂具有挑战度。

四、智慧课堂教学创新效果与成果

通过两学期线上+线下智慧课堂教学改革的实施，取得了良好的教学效果与丰富的教学成果。

(一) 使课堂更加开放高效

学生更加勇于表达自己的见解，更多地参与到课堂活动中来；师生、生生间沟通交流个性化，提高了教学效率。

(二) 促进了合作探究学习

采取小组讨论、合作探究等学习方式，帮助学生形成学习共同体，有利于促进知识的内化。

(三) 优化了人才培养模式

智慧课堂有利于教师发挥引导作用，帮助学生个性化学习。推荐了三位学生参加2021年吉林省职业技能大赛“电子产品设计与制作”赛项，取得省级三等奖的好成绩。

目前，已将智慧课堂教学改革推广应用到其他理论课程中；《单片机原理及应用》智慧课堂已成为我院输送大赛优秀学生选手的重要途径。

五、结 语

以“AT89S51单片机的中断系统”章节为例，结合知识点的讲解，将《单片机原理及应用》课程的智慧课堂建设在具体实例中展开，在教学目标中注重学生知识、能力与素质的培养，根据教学内容合理设置教学重、难点，以课程特点理论与实践紧密结合为突破口，采用多样化的教学与考核评价方法实现知识教学与专业能力培养目标，践行“以学为中心”教学理念，并融入课程思政，落实“立德树人”的根本任务，达成育人目标。本智慧课堂的建设，有效提高了课程的教学质量，充分体现了学生的课堂主体作用，对实践水平要求较高的其他工科类课程的线上教学或线上+线下混合式教学的智慧课堂建设具有一定的参考价值。